交流永磁同步伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)2013

1、交流永磁同步伺服電機(jī)第四章 交流永磁同步電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù) 1、交流永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理交流永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理2、交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制技術(shù)、交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制技術(shù)3、交流永磁同步電機(jī)、交流永磁同步電機(jī)PWM控制控制4、交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器交流永磁同步伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)存在如下缺點(diǎn)： u它的電樞繞組在轉(zhuǎn)子上不利于散熱；u由于繞組在轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)子慣量較大，不利于高速響應(yīng)；u電刷和換向器易磨損需要經(jīng)常維護(hù)、限制電機(jī)速度、換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生電火花限制了它的應(yīng)用環(huán)境。u如果能將電刷和換向器去掉，再把電樞繞組移到定子上，就可克服這些缺點(diǎn)。u交流電機(jī)就是這種

2、結(jié)構(gòu)的電機(jī)。u交流電機(jī)有兩大類： 永磁同步電機(jī) 異步（感應(yīng)）電機(jī) 交流永磁同步伺服電機(jī)4.1 交流永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)交流永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu) 和工作原理和工作原理 正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM) 梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)(Brushless DC Motor, BLDC)交流永磁同步伺服電機(jī) 交流永磁同步電動(dòng)機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子及測(cè)量轉(zhuǎn)子位置的傳感器構(gòu)成。 定子采用三相對(duì)稱繞組結(jié)構(gòu)，它們的軸線在空間空間彼彼此相差此相差120度。度。 轉(zhuǎn)子上貼有磁性體，一般有兩對(duì)以上的磁極。 位置傳感器一般為光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器 。4.1 交流永磁

3、同步電機(jī)結(jié)構(gòu)交流永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu) 和工作原理和工作原理交流永磁同步伺服電機(jī)定子三相繞組采用正弦繞組;由三相逆變器提供定子繞組的三相對(duì)稱電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn);定子繞組的通電頻率以及由此產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速取決于轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置和轉(zhuǎn)速;正弦波正弦波PMSM屬于自控式、無(wú)刷結(jié)構(gòu)同步電動(dòng)機(jī)屬于自控式、無(wú)刷結(jié)構(gòu)同步電動(dòng)機(jī)4.1 交流永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)交流永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu) 和工作原理和工作原理交流永磁同步伺服電機(jī)4.1 交流永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)交流永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu) 和工作原理和工作原理交流永磁同步伺服電機(jī) 當(dāng)對(duì)稱三相繞組接通對(duì)稱三相電源后，流過(guò)繞組當(dāng)對(duì)稱三相繞組接通對(duì)稱三相電源后，流過(guò)繞組的電流在

4、定轉(zhuǎn)子氣隙中建立起旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其轉(zhuǎn)速的電流在定轉(zhuǎn)子氣隙中建立起旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其轉(zhuǎn)速為為: 式中式中f 電源頻率；電源頻率； p定子極對(duì)數(shù)。定子極對(duì)數(shù)。 即磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速正比于電源頻率，反比于定子的極即磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速正比于電源頻率，反比于定子的極對(duì)數(shù)；對(duì)數(shù)； 磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向取決于繞組電流的相序。磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向取決于繞組電流的相序。60psfnrpm4.1 交流永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)交流永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu) 和工作原理和工作原理交流永磁同步伺服電機(jī) 三相交流異步電動(dòng)機(jī)工作原理簡(jiǎn)介：三相交流異步電動(dòng)機(jī)工作原理簡(jiǎn)介： （1）當(dāng)三相異步電機(jī)接入三相交流電源時(shí)，三相定子繞組）當(dāng)三相異步電機(jī)接入三相交流電源時(shí)，三相定子繞組流過(guò)三相

5、對(duì)稱電流產(chǎn)生的三相磁動(dòng)勢(shì)（定子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)）并流過(guò)三相對(duì)稱電流產(chǎn)生的三相磁動(dòng)勢(shì)（定子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)）并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 （2）該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體有相對(duì)切割運(yùn)動(dòng)）該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體有相對(duì)切割運(yùn)動(dòng),根據(jù)電磁感應(yīng)根據(jù)電磁感應(yīng)原理原理,轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生感應(yīng)電流。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生感應(yīng)電流。 （3）根據(jù)電磁力定律，載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁）根據(jù)電磁力定律，載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上帶機(jī)力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上帶機(jī)械負(fù)載時(shí)，便向外輸出機(jī)械能。電機(jī)的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速）小械負(fù)載時(shí)，便向外輸出機(jī)械能。

6、電機(jī)的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速）小于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，從而叫為異步電機(jī)。于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，從而叫為異步電機(jī)。s=(ns-n)/ns。s為為轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)差率，ns為磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，為磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而保證轉(zhuǎn)子的閉合導(dǎo)體切割子和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而保證轉(zhuǎn)子的閉合導(dǎo)體切割磁力線，感生電流，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)速的差異是異步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)磁力線，感生電流，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)速的差異是異步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件。在額定情況下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一般比同步轉(zhuǎn)速低的必要條件。在額定情況下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一般比同

7、步轉(zhuǎn)速低2-5%。4.1 交流永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)交流永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu) 和工作原理和工作原理交流永磁同步伺服電機(jī) 永磁同步交流電機(jī)定子轉(zhuǎn)組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的機(jī)理定子轉(zhuǎn)組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的機(jī)理與異步感應(yīng)電機(jī)是相同的。與異步感應(yīng)電機(jī)是相同的。 其不同點(diǎn)是轉(zhuǎn)子為永磁體且其不同點(diǎn)是轉(zhuǎn)子為永磁體且n與與ns相同（同步）。相同（同步）。 兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可看作一對(duì)旋轉(zhuǎn)磁極吸定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可看作一對(duì)旋轉(zhuǎn)磁極吸引轉(zhuǎn)子的磁極隨其一起旋轉(zhuǎn)。引轉(zhuǎn)子的磁極隨其一起旋轉(zhuǎn)。 60rpmpsfnn4.1 交流永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)交流永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu) 和工作原理和工作原理交

8、流永磁同步伺服電機(jī) 要想實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，關(guān)鍵是力矩的控制。要想實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，關(guān)鍵是力矩的控制。 在永磁直流電機(jī)中，在永磁直流電機(jī)中，T=KtI。I為直流，只要改變電流的大為直流，只要改變電流的大小就能改變力矩。小就能改變力矩。 而交流電機(jī)中而交流電機(jī)中Fs是由三相交流電產(chǎn)生的，繞組中的電壓及是由三相交流電產(chǎn)生的，繞組中的電壓及電流是交流，是時(shí)變量，轉(zhuǎn)矩的控制要復(fù)雜得多。電流是交流，是時(shí)變量，轉(zhuǎn)矩的控制要復(fù)雜得多。 能否找到一種方法使我們能夠象控制直流電機(jī)那樣控制交能否找到一種方法使我們能夠象控制直流電機(jī)那樣控制交流電機(jī)？流電機(jī)？ 20世紀(jì)世紀(jì)70年代初發(fā)明了矢量控制技術(shù)，或稱磁場(chǎng)定向控制年代

9、初發(fā)明了矢量控制技術(shù)，或稱磁場(chǎng)定向控制技術(shù)。技術(shù)。 通過(guò)坐標(biāo)變換，把交流電機(jī)中交流電流的控制，變換成類通過(guò)坐標(biāo)變換，把交流電機(jī)中交流電流的控制，變換成類似于直流電機(jī)中直流電流的控制，實(shí)現(xiàn)了力矩的控制，可似于直流電機(jī)中直流電流的控制，實(shí)現(xiàn)了力矩的控制，可以獲得和直流電機(jī)相似的高動(dòng)態(tài)性能，從而使交流電機(jī)的以獲得和直流電機(jī)相似的高動(dòng)態(tài)性能，從而使交流電機(jī)的控制技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展?？刂萍夹g(shù)取得了突破性的進(jìn)展。sin()rsrsTFF 4.2 交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步伺服電機(jī) 4.2 交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制 永磁同步電機(jī)的

10、定子中裝有三相對(duì)稱繞組a,b,c，它們?cè)诳臻g彼此相差空間彼此相差120度度，繞組中通以如下三相對(duì)稱電流： 即每個(gè)繞組中電流的幅值和相位都是隨時(shí)間變化的，且彼此在相位（與時(shí)間有關(guān)）上相差相位（與時(shí)間有關(guān)）上相差120度度。mmmI sinI sin(120 )I sin(240 )abcititit0abciii交流永磁同步伺服電機(jī) 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是三相電流共同作用的結(jié)果，引入電流空間矢量的概念來(lái)描述這個(gè)作用。 在電機(jī)定子上與軸垂直的剖面上建立一靜止坐標(biāo)系（a,b,c)，其原點(diǎn)在軸心上，三相繞組的軸線分別在此坐標(biāo)系的a，b，c三個(gè)坐標(biāo)軸上。 每一相相電流幅值和極性隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化?？捎每臻g矢量描述

11、，方向始終在a,b,c坐標(biāo)系中各相的軸線上。 定義合成定子電流矢量合成定子電流矢量為： 每一相相電流空間矢量幅值和極性的變化使得合成定子電流矢量形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。1 2 02 4 02jjsabcabci i ieiei a i ai 1 2 02 4 02jjs a bcabci i ie ie i a i ai 4.2 交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步伺服電機(jī)u定義了合成定子電流矢量后，則定子繞組的總磁勢(shì)矢量為定義了合成定子電流矢量后，則定子繞組的總磁勢(shì)矢量為 N定子繞組線圈總匝數(shù)定子繞組線圈總匝數(shù)u要注意要注意合成定子電流合成定子電流僅僅是為了描述方便引入

12、的僅僅是為了描述方便引入的虛擬量虛擬量。u注意區(qū)分電流矢量和電工學(xué)中分析正弦電路時(shí)所用到的阻注意區(qū)分電流矢量和電工學(xué)中分析正弦電路時(shí)所用到的阻抗抗相量相量。前者反映的是各個(gè)量的空間、時(shí)間關(guān)系，而后者。前者反映的是各個(gè)量的空間、時(shí)間關(guān)系，而后者描述的僅是時(shí)間關(guān)系。描述的僅是時(shí)間關(guān)系。2()ssabcFNiN iaia i 4.2 交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步伺服電機(jī) 力矩控制 由電機(jī)統(tǒng)一理論，電機(jī)的力矩由電機(jī)統(tǒng)一理論，電機(jī)的力矩 大小可表示為大小可表示為 如果能保證如果能保證Fr與與Fs相互垂直，則因轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相互垂直，則因轉(zhuǎn)子磁勢(shì)Fr為常為常數(shù)，且數(shù)，且

13、則則 這與直流電機(jī)的力矩表達(dá)式是一樣的。這與直流電機(jī)的力矩表達(dá)式是一樣的。sin()rsrsTFFssFNit sTK i 4.2 交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步伺服電機(jī)問(wèn)題可歸結(jié)為問(wèn)題可歸結(jié)為：定子合成電流是一個(gè)時(shí)變量，如何把時(shí)變量轉(zhuǎn)定子合成電流是一個(gè)時(shí)變量，如何把時(shí)變量轉(zhuǎn)換為時(shí)不變量？換為時(shí)不變量？如何保證定子磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相互垂直？如何保證定子磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相互垂直？定子合成電流僅是一個(gè)虛擬的量，并不是真正定子合成電流僅是一個(gè)虛擬的量，并不是真正的物理量，力矩的控制最后還是要落實(shí)到三相的物理量，力矩的控制最后還是要落實(shí)到三相電流的控制上，如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)

14、轉(zhuǎn)換？電流的控制上，如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)轉(zhuǎn)換？ 4.2 交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步伺服電機(jī)u為了解決上面提到的這些問(wèn)題，設(shè)想為了解決上面提到的這些問(wèn)題，設(shè)想建立一個(gè)以電源角頻率旋轉(zhuǎn)的建立一個(gè)以電源角頻率旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系標(biāo)系（d、q）。）。u 從靜止坐標(biāo)系（從靜止坐標(biāo)系（a,b,c)上看，合成定上看，合成定子電流矢量在空間以電源角頻率旋轉(zhuǎn)子電流矢量在空間以電源角頻率旋轉(zhuǎn)從而形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，是時(shí)變的。從而形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，是時(shí)變的。u從動(dòng)坐標(biāo)系（從動(dòng)坐標(biāo)系（d、q）上看，則合成）上看，則合成定子電流矢量是靜止的，也即從時(shí)變定子電流矢量是靜止的，也即從時(shí)變量變成了時(shí)

15、不變量，從交流量變成了量變成了時(shí)不變量，從交流量變成了直流量。直流量。磁場(chǎng)定向控制的基本思路磁場(chǎng)定向控制的基本思路 4.2 交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步伺服電機(jī)u通過(guò)通過(guò)坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換把合成定子電流矢量從把合成定子電流矢量從靜止坐標(biāo)系靜止坐標(biāo)系變換到變換到旋旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上。上。u在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中計(jì)算出實(shí)現(xiàn)力矩控制所需要的定子合成電在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中計(jì)算出實(shí)現(xiàn)力矩控制所需要的定子合成電流的數(shù)值；流的數(shù)值；u然后將這個(gè)電流值再反變換到靜止坐標(biāo)系中。然后將這個(gè)電流值再反變換到靜止坐標(biāo)系中。u將虛擬的合成電流轉(zhuǎn)換成實(shí)際的繞組電流，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)將虛擬的合成電流轉(zhuǎn)

16、換成實(shí)際的繞組電流，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)力矩的控制力矩的控制。u坐標(biāo)變換是通過(guò)兩次變換實(shí)現(xiàn)的坐標(biāo)變換是通過(guò)兩次變換實(shí)現(xiàn)的 4.2 交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步伺服電機(jī)Clarke變換 （a,b,c)是復(fù)數(shù)平面上的三相是復(fù)數(shù)平面上的三相靜止坐標(biāo)系靜止坐標(biāo)系。 （, ,) )是該平面上的兩相是該平面上的兩相靜止坐標(biāo)系靜止坐標(biāo)系。 軸與軸與a軸重合，軸重合， 軸與軸與a軸垂直。軸垂直。 定義在（定義在（a,b,c)坐標(biāo)系中的空間電流矢量可通過(guò)如下運(yùn)算坐標(biāo)系中的空間電流矢量可通過(guò)如下運(yùn)算變換到坐標(biāo)系（變換到坐標(biāo)系（, ,）中：中：2sabciiaia i13cos120

17、sin12022ajj 213cos240sin24022ajj 1133()2222sabcbciiiijii 4.2 交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步伺服電機(jī)1112233022abciiiii用矩陣可表示為1133()2222sabcbciiiijii 4.2 交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步伺服電機(jī)Park變換 定義一個(gè)以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的直角坐標(biāo)系 ，其轉(zhuǎn)角為 =t 在此坐標(biāo)系中電流矢量是一個(gè)靜止矢量，其分量id, iq也就成了非時(shí)變量（直流量）。 由幾何關(guān)系可得出空間矢量從（,)坐標(biāo)系到 （d，q)坐標(biāo)系的變換關(guān)系：c

18、ossinsincosdqiiiiii cossinsincosdqiiii 4.2 交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步伺服電機(jī)1112233022abciiiii 現(xiàn)在得到了從ia，ib，ic到id，iq的變換。求逆即是反變換。 式中，可由傳感器測(cè)量得到。 cossinsincosdqiiii 4.2 交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步伺服電機(jī) 在（在（d,q)坐標(biāo)系中，合成定子電流是一個(gè)標(biāo)量，坐標(biāo)系中，合成定子電流是一個(gè)標(biāo)量，可表示為：可表示為： 如果使如果使is在在q軸上（即讓軸上（即讓id=0)，使轉(zhuǎn)子磁極在，使轉(zhuǎn)子磁

19、極在d軸軸上，定子磁場(chǎng)磁極在上，定子磁場(chǎng)磁極在q軸上，則，軸上，則， 即定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互垂直，此時(shí)電機(jī)的力即定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互垂直，此時(shí)電機(jī)的力矩為矩為 在（在（d,q)坐標(biāo)系中，我們可象直流電機(jī)那樣，通坐標(biāo)系中，我們可象直流電機(jī)那樣，通過(guò)控制電流來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。過(guò)控制電流來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。22sdqiii2sr sin()rssrtqTFFKi 4.2 交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步伺服電機(jī)uid, iq并不是真實(shí)的物理量，電機(jī)力矩的控制最終還是定并不是真實(shí)的物理量，電機(jī)力矩的控制最終還是定子繞組電流子繞組電流ia,ib,ic或定子繞組電壓或

20、定子繞組電壓ua,ub,uc實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)，u因此，必須將虛擬量變換回這些真實(shí)的物理量，這可通因此，必須將虛擬量變換回這些真實(shí)的物理量，這可通過(guò)如上過(guò)如上clarke、Park變換的逆變換實(shí)現(xiàn)。變換的逆變換實(shí)現(xiàn)。 4.2 交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步伺服電機(jī) 磁場(chǎng)定向控制的實(shí)現(xiàn)n力矩的控制由力矩回路實(shí)現(xiàn)。力矩的控制由力矩回路實(shí)現(xiàn)。n圖中電流傳感器測(cè)量出定子繞組電流圖中電流傳感器測(cè)量出定子繞組電流ia,ibia,ib作為作為clarkeclarke變換的輸入，變換的輸入，icic可由三可由三相電流對(duì)稱關(guān)系相電流對(duì)稱關(guān)系ia+ib+ic=0ia+ib+ic=0求

21、出。求出。nclarkeclarke變換的輸出變換的輸出i i, ,i i ，與由編碼器測(cè)出的轉(zhuǎn)角，與由編碼器測(cè)出的轉(zhuǎn)角作為作為parkpark變換的輸入，變換的輸入，其輸出其輸出i id d與與i iq q作為電流反饋量與指令電流作為電流反饋量與指令電流i idrefdref及及i iqrefqref比較，產(chǎn)生的誤差在力矩比較，產(chǎn)生的誤差在力矩回路中經(jīng)回路中經(jīng)PIPI運(yùn)算后輸出電壓值運(yùn)算后輸出電壓值ud,uqud,uq。n再經(jīng)逆再經(jīng)逆ParkPark變換將這變換將這u ud d,u,uq q變換成坐標(biāo)系中的電壓變換成坐標(biāo)系中的電壓u u,u,u。nSVPWMSVPWM算法將算法將u u,u,

22、u轉(zhuǎn)換成逆變器中六個(gè)功放管的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)以產(chǎn)生三相定轉(zhuǎn)換成逆變器中六個(gè)功放管的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)以產(chǎn)生三相定子繞組電流。子繞組電流。n速度指令（一般是位置回路的輸出）與由光電編碼器測(cè)量出的電機(jī)實(shí)際速度速度指令（一般是位置回路的輸出）與由光電編碼器測(cè)量出的電機(jī)實(shí)際速度相比較，誤差在速度回路中經(jīng)相比較，誤差在速度回路中經(jīng)PIPI運(yùn)算后作為力矩回路的指令值。運(yùn)算后作為力矩回路的指令值。 4.2 交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向控制的程序流圖 4.2 交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步伺服電機(jī)（d,q)坐標(biāo)系的初始建立

23、 如何使轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在如何使轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在d軸上，使定子磁場(chǎng)在軸上，使定子磁場(chǎng)在q軸上軸上? 1）首先使iqref=0，idref為一常量，在電流回路作用下，定子繞組電流建立的磁場(chǎng)將吸引轉(zhuǎn)子磁極與之對(duì)準(zhǔn)； 4.2 交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步伺服電機(jī)2）在Park變換和逆變換中將增加90 ，即合成定子電流矢量瞬間旋轉(zhuǎn)90 ，而轉(zhuǎn)子磁極在此瞬間仍停留在原來(lái)的位置，這相當(dāng)于(d,q)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)了90 ；3) 現(xiàn)在電流矢量被移動(dòng)到q軸上，轉(zhuǎn)子磁極仍然在d軸上，即兩個(gè)磁極處于正交狀態(tài)；4）轉(zhuǎn)子趨于與定子磁勢(shì)對(duì)準(zhǔn)，一旦轉(zhuǎn)子開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，DSP根據(jù)編碼器測(cè)量出的新的轉(zhuǎn)子位置，通

24、過(guò)矢量變換算法不斷更新電流矢量，以維持兩個(gè)磁場(chǎng)始終處于正交狀態(tài)。 4.2 交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制交流永磁同步伺服電機(jī) 4.3 交流永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 PMSM驅(qū)動(dòng)器的主回路一般采用交直交的結(jié)構(gòu)。交流永磁同步伺服電機(jī)IGBT （Insulated-gate Bipolar Transistor ）絕緣柵雙極型晶體管）絕緣柵雙極型晶體管 由由MOSFET (絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)和和BJT (雙極型三極管)復(fù)合而成，結(jié)合二者復(fù)合而成，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。的優(yōu)點(diǎn)。BJT的特點(diǎn)的特點(diǎn)電流驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。電流驅(qū)動(dòng)，開(kāi)

25、關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。但集電極和發(fā)射極間導(dǎo)通壓降低。但集電極和發(fā)射極間導(dǎo)通壓降低。 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)電壓驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所電壓驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，但耐壓越高源極和漏極間的電阻越大。需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，但耐壓越高源極和漏極間的電阻越大。 4.3 交流永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī)交流電機(jī)系統(tǒng)也普遍采用交流電機(jī)系統(tǒng)也普遍采用PWM的控制技術(shù)產(chǎn)生繞組電的控制技術(shù)產(chǎn)生繞組電壓和電流。壓和電流。據(jù)統(tǒng)計(jì)，已見(jiàn)著文獻(xiàn)的交流電機(jī)據(jù)統(tǒng)計(jì)，已見(jiàn)著文獻(xiàn)的交流電機(jī)

26、PWM控制方法有數(shù)十控制方法有數(shù)十種之多，種之多，研究主要集中在如何實(shí)現(xiàn)高效率、低諧波、易實(shí)現(xiàn)等方研究主要集中在如何實(shí)現(xiàn)高效率、低諧波、易實(shí)現(xiàn)等方面。面。常用的方法有三種：常用的方法有三種： 正弦波脈寬調(diào)制（正弦波脈寬調(diào)制（SPWM） 空間矢量脈寬調(diào)制（空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM） 電流跟蹤控制。電流跟蹤控制。 4.3 交流永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī)SPWM技術(shù)（Sinusodal Pulse Width Modulation）n用直流電壓信號(hào)去調(diào)制三角波信號(hào)，得到一個(gè)脈沖序列。用直流電壓信號(hào)去調(diào)制三角波信號(hào)，得到一個(gè)脈沖序列。n占空比由直流電壓幅值

27、決定。占空比由直流電壓幅值決定。 4.3 交流永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī) 用正弦波信號(hào)去調(diào)制三角用正弦波信號(hào)去調(diào)制三角波信號(hào)，會(huì)得到一個(gè)占空波信號(hào)，會(huì)得到一個(gè)占空比按正弦規(guī)律變化的脈沖比按正弦規(guī)律變化的脈沖序列。序列。 脈沖的頻率由三角波頻率脈沖的頻率由三角波頻率決定，脈沖的占空比由電決定，脈沖的占空比由電壓幅值決定。壓幅值決定。 脈沖序列可能包含各次諧脈沖序列可能包含各次諧波的頻譜成份，但其基波波的頻譜成份，但其基波由調(diào)制波決定由調(diào)制波決定 4.3 交流永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī) 4.3 交流永磁同步電機(jī)的交

28、流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī)aPWMucPWMu 4.3 交流永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī) 4.3 交流永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī)SVPWM（Space Vector PWM）技術(shù)SPWM主要著眼于使變壓變頻器的輸出電壓盡量接近正主要著眼于使變壓變頻器的輸出電壓盡量接近正弦波，并未顧及輸出電流的變化。弦波，并未顧及輸出電流的變化。交流電動(dòng)機(jī)輸入三相正弦交流電動(dòng)機(jī)輸入三相正弦電流電流在電動(dòng)機(jī)空間形成圓形旋在電動(dòng)機(jī)空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。SVPWM（Space Vector PWM）技術(shù)

29、的基本思路就是）技術(shù)的基本思路就是把電機(jī)和逆變器看做一體，通過(guò)把電機(jī)和逆變器看做一體，通過(guò)控制逆變器功率器件的控制逆變器功率器件的開(kāi)關(guān)模式及導(dǎo)通時(shí)間開(kāi)關(guān)模式及導(dǎo)通時(shí)間，產(chǎn)生，產(chǎn)生有效電壓矢量有效電壓矢量來(lái)逼近來(lái)逼近圓形磁圓形磁場(chǎng)軌跡場(chǎng)軌跡的一種方法。的一種方法。這種方法利用電壓空間矢量直接生成三相這種方法利用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，特波，特別適用于別適用于DSP直接計(jì)算，且方法簡(jiǎn)便。直接計(jì)算，且方法簡(jiǎn)便。SVPWM比一般的比一般的SPWM直流電壓利用率提高直流電壓利用率提高15%。 4.3 交流永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī)合成電壓空間矢量 在電

30、機(jī)定子上與軸垂直的剖面上在電機(jī)定子上與軸垂直的剖面上建立一靜止坐標(biāo)系建立一靜止坐標(biāo)系OABC,其原其原點(diǎn)在軸心上，三相繞組的軸線分點(diǎn)在軸心上，三相繞組的軸線分別在此坐標(biāo)系的別在此坐標(biāo)系的A,B,C三個(gè)坐標(biāo)三個(gè)坐標(biāo)軸上。軸上。 每一相相電壓幅值和極性隨時(shí)間每一相相電壓幅值和極性隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化?？捎每臻g矢量按正弦規(guī)律變化。可用空間矢量描述，方向始終在描述，方向始終在ABC坐標(biāo)系坐標(biāo)系中各相的軸線上。中各相的軸線上。 定義定義合成定子電壓矢量合成定子電壓矢量為：為： 電壓矢量是一個(gè)以電源角頻率速電壓矢量是一個(gè)以電源角頻率速度旋轉(zhuǎn)的空間矢量。度旋轉(zhuǎn)的空間矢量。C0B0A0suuuu 4.3 交流

31、永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī)合成磁鏈空間矢量合成磁鏈空間矢量 同樣可以定義定子合成磁鏈空間矢量：同樣可以定義定子合成磁鏈空間矢量： 用合成空間矢量表示的定子電壓方程式為用合成空間矢量表示的定子電壓方程式為 :三相定子繞組的合成磁鏈，其由轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)及定子電感電流磁場(chǎng)三相定子繞組的合成磁鏈，其由轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)及定子電感電流磁場(chǎng)疊加形成。疊加形成。定子電阻壓降在式中所占的成分很小，可忽略不計(jì)，則定子合成電定子電阻壓降在式中所占的成分很小，可忽略不計(jì)，則定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的近似關(guān)系為壓與合成磁鏈空間矢量的近似關(guān)系為 sA0B0C0tRddssssIut dd

32、ssu s 4.3 交流永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī)電壓矢量和電壓矢量和磁鏈?zhǔn)噶康年P(guān)系磁鏈?zhǔn)噶康年P(guān)系 當(dāng)電動(dòng)機(jī)由三相平衡正弦電壓供電時(shí)，定子磁鏈幅值恒定，當(dāng)電動(dòng)機(jī)由三相平衡正弦電壓供電時(shí)，定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶宽敹说倪\(yùn)動(dòng)軌跡為磁鏈其空間矢量以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶宽敹说倪\(yùn)動(dòng)軌跡為磁鏈圓。圓。 則：則： 上式表明，當(dāng)磁鏈幅值一定時(shí)，上式表明，當(dāng)磁鏈幅值一定時(shí)，Us的大小與的大小與ss的變化率的變化率成正比，其方向則與磁鏈?zhǔn)噶空?，即磁鏈圓的切線方向。成正比，其方向則與磁鏈?zhǔn)噶空唬创沛湀A的切線方向。sm ejt)2(m1m1ss11

33、ddtwjtjwewejwtu 4.3 交流永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī) 當(dāng)磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，電壓矢量也連續(xù)當(dāng)磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，電壓矢量也連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運(yùn)動(dòng)地按磁鏈圓的切線方向運(yùn)動(dòng)2 弧度，其軌跡與磁弧度，其軌跡與磁鏈圓重合。鏈圓重合。 這樣，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軌跡問(wèn)題就可這樣，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軌跡問(wèn)題就可轉(zhuǎn)化為電轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡問(wèn)題壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡問(wèn)題。 4.3 交流永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī) SVPWM是通過(guò)V、V計(jì)算出逆變器功率器件的導(dǎo)通時(shí)間，從而產(chǎn)生有效電壓矢量來(lái)逼

34、近圓形磁場(chǎng)軌跡的一種方法。 4.3 交流永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī)逆變器中的電壓關(guān)系 逆變器上、下橋臂的開(kāi)關(guān)器件在任一時(shí)刻導(dǎo)通關(guān)斷狀態(tài)正好相反，所以只用上橋臂的三個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件來(lái)描述逆變器的工作狀態(tài)就足夠了。 如果把上橋臂功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通狀態(tài)用“1”表示，關(guān)斷用“0”表示，上橋臂三個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)共有八種組合。 4.3 交流永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī)開(kāi)關(guān)狀態(tài)下開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的電壓源的電壓源 4.3 交流永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī)123ONOAONOBONOCVVZ

35、iVVZiVVZi3ONOAOBOCVVVV1230iii相電壓和電壓源相電壓和電壓源的關(guān)系的關(guān)系 4.3 交流永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī)8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的相電壓 將開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的電壓源表中的值帶入相電壓表達(dá)式可將開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的電壓源表中的值帶入相電壓表達(dá)式可得到開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的相電壓值得到開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的相電壓值 4.3 交流永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī)開(kāi)關(guān)狀態(tài)下V、V的值 由由Clarke變換可得到在變換可得到在（,)坐標(biāo)系中坐標(biāo)系中V、V的值的值。 由由8個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)得到個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)得到（,)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)系中的8個(gè)個(gè)基本電

36、壓空間矢量?；倦妷嚎臻g矢量。 其中兩個(gè)是空矢量，六其中兩個(gè)是空矢量，六個(gè)有效矢量。個(gè)有效矢量。 每個(gè)有效矢量的幅值都每個(gè)有效矢量的幅值都是是2/3Vdc 4.3 交流永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī) 通過(guò)上述六個(gè)基本有效矢量把整個(gè)空間劃分成了六個(gè)扇區(qū)。 這樣的供電方式只能形成正六邊形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，如果想獲得逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，就必須有更多的空間電壓矢量。 設(shè)想將每個(gè)扇區(qū)在分成若干小區(qū)間，在每個(gè)小區(qū)間都用相鄰的基本有效電壓矢量以及零矢量的線性時(shí)間組合來(lái)合成新的電壓矢量 通過(guò)改變基本矢量的作用時(shí)間，保證所合成的電壓空間矢量的幅值。 當(dāng)小區(qū)間足夠小時(shí)，電壓空間矢量

37、的軌跡就是一個(gè)近似圓形的正多邊形 。交流永磁同步伺服電機(jī) 用線性組合生成新的電壓空間矢量用線性組合生成新的電壓空間矢量 T: 電壓空間矢量Vs的作用時(shí)間T4：基本電壓空間矢量V4的作用時(shí)間T6: 基本電壓空間矢量V6的作用時(shí)間T0: 零矢量V(111)或V(000)作用時(shí)間以第一扇區(qū)為例 4.3 交流永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī)知道了知道了V,V,V的值，就求出了生成新的電壓矢量所需的基本電壓矢的值，就求出了生成新的電壓矢量所需的基本電壓矢量的作用時(shí)間。量的作用時(shí)間。T對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)于PWM周期。即周期。即每一個(gè)每一個(gè) T發(fā)出發(fā)出PWM電壓波形中的一個(gè)脈沖波

38、。電壓波形中的一個(gè)脈沖波。在每個(gè)在每個(gè)PWM周期，都周期，都按照上述方法按照上述方法用相鄰的基本有效電壓矢量，以用相鄰的基本有效電壓矢量，以及零矢量的線性組合來(lái)合成新的電壓矢量。及零矢量的線性組合來(lái)合成新的電壓矢量。通過(guò)改變基本矢量的作用時(shí)間，保證所合成的電壓空間矢量的幅值都通過(guò)改變基本矢量的作用時(shí)間，保證所合成的電壓空間矢量的幅值都相等。相等。當(dāng)當(dāng)PWM周期足夠小時(shí)，電壓空間矢量的軌跡就是一個(gè)近似圓形的正周期足夠小時(shí)，電壓空間矢量的軌跡就是一個(gè)近似圓形的正多邊形。多邊形。 4.3 交流永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī) T 與與 T4+ T 6 未必相等，其

39、間隙時(shí)間可用零矢量未必相等，其間隙時(shí)間可用零矢量V 7 或或V 0 來(lái)來(lái)填補(bǔ)。為了減少功率器件的開(kāi)關(guān)次數(shù)，一般使填補(bǔ)。為了減少功率器件的開(kāi)關(guān)次數(shù)，一般使 V 7和和 V 0 各占一半時(shí)間，因此各占一半時(shí)間，因此 以此類推，可計(jì)算出其它扇區(qū)電壓矢量所對(duì)應(yīng)的以此類推，可計(jì)算出其它扇區(qū)電壓矢量所對(duì)應(yīng)的基本電壓基本電壓矢量的作用時(shí)間。矢量的作用時(shí)間。70461()2TTTtt 4.3 交流永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī)七段式 SVPWM波形生成方案 對(duì)每一個(gè)SVPWM波的零矢量分割方法以及對(duì)相鄰非零矢量選擇不同，會(huì)產(chǎn)生多種SVPWM波形。 根據(jù)從一個(gè)矢量轉(zhuǎn)換到另一

40、個(gè)矢量的過(guò)程中只有一個(gè)功率元件狀態(tài)發(fā)生變化的原則，確定如下七段式生成方案 ： 電壓空間矢量的作用序列由3段零矢量和4段相鄰的兩個(gè)非零矢量組成； 3段零矢量分別位于PWM波的開(kāi)始、中間和結(jié)尾； 開(kāi)關(guān)順序?yàn)椋?作用時(shí)間分別為 ： 4.3 交流永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī) 上例中，Vsref 由V4(100),V6(110),V0(000),V7(111)組合而成。即4種開(kāi)關(guān)狀態(tài)。相應(yīng)的作用時(shí)間為T4,T6,T0,T7。 按照七段式生成方案 ，可選擇： V0(000),V4(100),V6(110),V7(111) ,V6(110), V4(100), V0(

41、000)。 作用時(shí)間為 T0/4, T4/2, T6/2, T7/2, T6/2, T4/2, T0/4。 4.3 交流永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī) 4.3 交流永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī) 根據(jù)七段式 SVPWM波形生成方案確定的各扇區(qū)的電壓空間矢量的作用序列如上表所示 正轉(zhuǎn)時(shí)，扇區(qū)的順序?yàn)椋?反轉(zhuǎn)時(shí)，扇區(qū)的順序?yàn)椤?4.3 交流永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī) a) 第扇區(qū) b) 第扇區(qū) 一個(gè)采樣周期內(nèi)的SVPWM波形 將PWM1、PWM3和PWM5進(jìn)行非運(yùn)算就可以生成PWM

42、2、PWM4和PWM6。不 控整 流 橋三 相逆 變電 路PM SM光耦隔離HALL電流 檢 測(cè)光 電編 碼 器控 制 電 源上 位 機(jī)RS232外 部存 儲(chǔ) 器Q EP220VADC鍵 盤 控 制DACSCIPW M產(chǎn) 生模 塊ADCIN0ADCIN1Q EPAQ EPBINDEX驅(qū)動(dòng)電路SPILED顯 示驅(qū) 動(dòng) 器功 率 因 數(shù)校 正 電 路故 障 檢 測(cè)電 路EM IFJTAGPW M 6PW M 5PW M 4PW M 3PW M 2PW M 1CPU存 儲(chǔ) 器 TM S320LF2407A_PDPINT數(shù) 據(jù) 觀 測(cè)PLLW D/RTII/O仿 真 器輸 入濾 波 器 4.3 交流永

43、磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī)DSP實(shí)現(xiàn)： 矢量變換 控制算法 PWM產(chǎn)生 編碼器信號(hào)處理 故障診斷 4.3 交流永磁同步電機(jī)的交流永磁同步電機(jī)的PWM控制控制 交流永磁同步伺服電機(jī)逆變器主回路 選用智能功率模塊選用智能功率模塊IPM（Intelligent Power Moder）, 其不僅其不僅把功率開(kāi)關(guān)器件和把功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路集成在一起。而且還內(nèi)藏有過(guò)電集成在一起。而且還內(nèi)藏有過(guò)電壓，過(guò)電流和過(guò)熱等故障檢測(cè)電路，并可將檢測(cè)信號(hào)送到壓，過(guò)電流和過(guò)熱等故障檢測(cè)電路，并可將檢測(cè)信號(hào)送到DSP 。 DSP輸出六路輸出六路PWM信號(hào)經(jīng)光耦隔離后驅(qū)動(dòng)

44、信號(hào)經(jīng)光耦隔離后驅(qū)動(dòng)IPM工作工作4.4 PMSM的驅(qū)動(dòng)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)技術(shù) 交流永磁同步伺服電機(jī)IPM-內(nèi)部功能4.4 PMSM的驅(qū)動(dòng)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)技術(shù) 交流永磁同步伺服電機(jī)。IPM模塊內(nèi)部集成了六個(gè)模塊內(nèi)部集成了六個(gè)IGBT作為功率開(kāi)關(guān)元作為功率開(kāi)關(guān)元件，同時(shí)集成了驅(qū)動(dòng)電路，并設(shè)計(jì)有過(guò)電壓、件，同時(shí)集成了驅(qū)動(dòng)電路，并設(shè)計(jì)有過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱、欠電壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路。過(guò)電流、過(guò)熱、欠電壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路。IPM芯片共有芯片共有23個(gè)引腳，包括：六路個(gè)引腳，包括：六路PWM信號(hào)信號(hào)輸入；四組供電電源，為六個(gè)功率管提供驅(qū)動(dòng)輸入；四組供電電源，為六個(gè)功率管提供驅(qū)動(dòng)電壓；四個(gè)故障信號(hào)輸出；直流母線電壓輸

45、入；電壓；四個(gè)故障信號(hào)輸出；直流母線電壓輸入；三相電壓輸出。三相電壓輸出。 DSP輸出的輸出的PWM信號(hào)在進(jìn)入信號(hào)在進(jìn)入IPM之前需用高速之前需用高速光耦進(jìn)行隔離。光耦進(jìn)行隔離。故障輸出端接低速光耦。這些故障信號(hào)經(jīng)邏輯故障輸出端接低速光耦。這些故障信號(hào)經(jīng)邏輯電路處理后可直接封鎖開(kāi)關(guān)脈沖，同時(shí)把電路處理后可直接封鎖開(kāi)關(guān)脈沖，同時(shí)把DSP的引腳拉為低電平，觸發(fā)功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷。的引腳拉為低電平，觸發(fā)功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷。IPM需要四路隔離的需要四路隔離的+15V供電，上三個(gè)橋臂各供電，上三個(gè)橋臂各用一組，下三個(gè)橋臂共用一組。用一組，下三個(gè)橋臂共用一組。4.4 PMSM的驅(qū)動(dòng)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)技術(shù) 交流永磁同步

46、伺服電機(jī)IPM-保護(hù)功能 4.4 PMSM的驅(qū)動(dòng)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)技術(shù) 交流永磁同步伺服電機(jī)IPM-外形4.4 PMSM的驅(qū)動(dòng)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)技術(shù) 交流永磁同步伺服電機(jī)電流測(cè)量及采樣電流測(cè)量及采樣 矢量變換要求知道電機(jī)定子三相電流，實(shí)際檢測(cè)時(shí)只要矢量變換要求知道電機(jī)定子三相電流，實(shí)際檢測(cè)時(shí)只要檢測(cè)其中兩相即可，另外一相可以由計(jì)算得出。檢測(cè)其中兩相即可，另外一相可以由計(jì)算得出。 電流檢測(cè)可采用霍耳傳感器實(shí)現(xiàn)。電流檢測(cè)可采用霍耳傳感器實(shí)現(xiàn)。 霍耳傳感器檢測(cè)的電流經(jīng)放大電路處理后，送到霍耳傳感器檢測(cè)的電流經(jīng)放大電路處理后，送到DSP內(nèi)內(nèi)部的部的A/D轉(zhuǎn)換器變換為數(shù)字量。轉(zhuǎn)換器變換為數(shù)字量。 4.4 PMSM的驅(qū)動(dòng)

47、技術(shù)的驅(qū)動(dòng)技術(shù) 交流永磁同步伺服電機(jī)霍爾效應(yīng) 金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。4.4 PMSM的驅(qū)動(dòng)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)技術(shù) 交流永磁同步伺服電機(jī)霍爾電流傳感器 電流Ip流過(guò)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)通過(guò)聚磁環(huán)聚集感應(yīng)到霍爾器件上，使之有一電壓信號(hào)輸出。 控制電流Ic由信號(hào)處理電路提供。差動(dòng)放大器的輸出比例于電流Ip. 輸出與輸入是隔離的。NoImage4.4 PMSM的驅(qū)動(dòng)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)技術(shù) 交流永磁同步伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的三種工作模式 交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中一般都包含有位置回路，速度回路和力矩回路，但使用時(shí)可將驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)

48、合起來(lái)組合成不同的工作模式，以滿足不同的應(yīng)用要求。 常見(jiàn)的工作模式有如下三類：位置方式，速度方式，力矩方式4.4 PMSM的驅(qū)動(dòng)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)技術(shù) 交流永磁同步伺服電機(jī)位置方式位置方式這種模式下，位置回路、速度回路和力矩回路都在驅(qū)動(dòng)器這種模式下，位置回路、速度回路和力矩回路都在驅(qū)動(dòng)器中執(zhí)行。中執(zhí)行。驅(qū)動(dòng)器接受運(yùn)動(dòng)控制器送來(lái)的位置指令信號(hào)。驅(qū)動(dòng)器接受運(yùn)動(dòng)控制器送來(lái)的位置指令信號(hào)。以脈沖及方向指令信號(hào)形式為例：以脈沖及方向指令信號(hào)形式為例：脈沖個(gè)數(shù)決定了電機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置；脈沖個(gè)數(shù)決定了電機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置；脈沖的頻率決定了電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度；脈沖的頻率決定了電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度；而方向信號(hào)電平的高低決定了電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向而方向信號(hào)電平的高低決定了電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向這與步進(jìn)電機(jī)的控制有相似之外，但脈沖的頻率要高一些，這與步進(jìn)電機(jī)的控制有相似之外，但脈沖的頻率要高一些，以適應(yīng)伺服電機(jī)的高轉(zhuǎn)速。以適應(yīng)伺服電機(jī)的高轉(zhuǎn)速。4.4 PMSM的驅(qū)動(dòng)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)技術(shù) 交流永磁同步伺服電機(jī)速度方式 驅(qū)動(dòng)器內(nèi)僅執(zhí)行速度回路和力矩回路，由外部的運(yùn)動(dòng)控制器驅(qū)動(dòng)器內(nèi)僅執(zhí)行速度回路和力矩回路，由外部的運(yùn)動(dòng)控制器執(zhí)行位置回路的所有功能。執(zhí)